Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор современного состояния проблемы, постановка задачи диссертационной работы и ее общая характеристика 7
1.1. Обзор электрообогреваемых систем 7
1.2. Тепловые модели тела человека 18
1.3. Постановка задачи диссертационной работы и ее краткое содержание 23
1.4. Общая характеристика диссертационной работы 24
Глава 2. Расчет необходимой мощности нагревательных элементов для обеспечения теплового комфорта водолазам при различной их физической деятельности 28
2.1. Тепловой баланс организма 28
2.2. Зависимость теплофизических свойств материалов одежды от состава газовой смеси и глубины погружения 35
2.3. Теплоизоляционный материал пенофол 66
2.4. Расчет необходимой мощности для нагревательных элементов в спецодежде водолаза 72
2.5. Выводы 80
Глава 3. Математическая модель температурных процессов в обогреваемой спецодежде водолаза как объекте управления АСР 81
3.1. Структурная схема тепловой системы «человек одежда реда» 81
3.2. Статические и динамические характеристики переходных процессов в спецодежде водолаза 83
3.3. Модель системы «человек одежда среда» как объекта управления
3.4. Экспериментальное определение переходных характеристик в слоях пакета одежды «человек - одежда - среда» 89
3.5. Расчет коэффициентов передаточных функций динамических звеньев объекта АСР температуры обогревательной одежды водолазов по экспериментально снятым переходным характеристикам 93
3.6. Выводы 96
Глава 4. Исследование системы автоматического регулирования температуры в одежде водолаза 99
4.1. Структурная схема АСР 98
4.2. Моделирование АСР температуры пододежного пространства .102
4.3. Исследование АСР температуры нагревательных элементов электрообогреваемой одежды 104
4.3.1. Исследование АСР температуры обогреваемой одежды с дискретным ПИ-регулятором 104
4.3.2. Исследование АСР температуры обогреваемой одежды с дискретными регуляторами с широтно-импульсной модуляцией управляющего сигнала 106
4.3.3. Исследование АСР температуры обогреваемой одежды с релейным законом регулирования 109
4.4. Исследование АСР температуры на поверхности тела водолаза 114
4.4.1. Переходные процессы температуры на поясничном нагревательном элементе 115
4.4.2. Переходные процессы температуры на нагревательном элементе в зоне голени 117
4.4.3. Переходные процессы температуры на нагревательном элементе, расположенном на бедре .120
4.4.4. Переходные процессы температуры на нагревательном элементе, расположенном в зоне спины .122
4.4.5. Переходные процессы температуры на нагревательном элементе, расположенном в зоне плеча .125 4.5. Выводы 128
Заключение 129
Список литературных источников
- Постановка задачи диссертационной работы и ее краткое содержание
- Зависимость теплофизических свойств материалов одежды от состава газовой смеси и глубины погружения
- Статические и динамические характеристики переходных процессов в спецодежде водолаза
- Моделирование АСР температуры пододежного пространства
Введение к работе
Актуальность темы. Из всех видов подводных работ наибольшему охлаждению подвергаются водолазы при погружении на большую глубину в легком водолазном снаряжении. В связи с этим спецодежда должна обогревать тело водолаза и обеспечивать надлежащий тепловой баланс, предохранять тело человека от переохлаждения и не вызывать перегрева организма. При этом она должна быть удобной в эксплуатации и не снижать работоспособность водолаза. Учитывая современное состояние проблемы, можно утверждать, что ряд научных задач, связанных с разработкой теоретических основ и инженерных методов расчета автоматических систем регулирования (АСР) температуры среды внутри водолазной спецодежды решены недостаточно и не в полном объеме.
До настоящего времени методы аналитического приближенного расчета АСР температурных режимов спецодежды для водолазов базировались на тепловой модели человека с параметрами, полученными без учета постоянной времени датчика АСР температуры и физической нагрузки. Такой подход не может быть эффективно использован для проектирования и расчета температурных режимов спецодежды с электрическим обогревом при наличии гелийсодержащих газовых сред при высоком давлении и других факторов.
Проблемы создания обогреваемой одежды для водолазов требуют дальнейшего углубления и расширения научно-исследовательских работ в области создания автоматических систем регулирования температуры нагревательных элементов одежды и дыхательного газа.
Целью настоящей работы является совершенствование методов исследования, расчетов и проектирования автоматической системы регулирования (АСР) температуры спецодежды водолаза.
Для достижения поставленной цели в настоящей диссертации решены следующие научные задачи:
-
Разработана методика расчета мощности, необходимой для обогрева водолаза, при выполнении им физической работы для различных условий газовой среды в подкомбинезонном пространстве.
-
Создана математическая модель и структурная схема АСР температуры нагревательных элементов одежды.
-
Проведен расчет температуры в области нагревательных элементов и на поверхности тела человека, результаты сопоставлены с условиями теплового комфорта.
-
Осуществлен выбор рационального местоположения нагревательных элементов в пакете одежды с учетом максимального КПД нагревателя и скорости передачи теплового потока при управляющих воздействиях.
-
Экспериментально определены теплофизические свойства, распределение температур и постоянные времени слоев пакета одежды. Определены динамические характеристики нагревательных элементов в пакете одежды, по ним найдены передаточные функции. Результаты сопоставлены с теоретическими расчетами. Предложены методы более точных расчетов температуры нагревательных элементов и поверхности тела человека на ЭВМ в переходных режимах в процессе действия АСР температуры.
-
Более полно, чем в предшествующих работах проведен расчет мощности нагревательных элементов для обогревания спецодежды водолаза с учетом физической деятельности водолазов. Определена мощность всех нагревательных элементов обогреваемой спецодежды для обеспечения условий теплового комфорта водолаза.
-
Впервые расчет АСР температуры нагревательных элементов проведен с учетом инерционности датчика температуры АСР.
-
Определены величины возмущающих и управляющих воздействий, подаваемых на одежду при различных глубинах погружения.
-
Впервые создана и использована имитационная математическая модель АСР температуры обогреваемой одежды, позволяющая с большей точностью, чем у авторов предыдущих работ, рассчитывать температуру одежды и тела человека.
-
Впервые разработана методика расчета мощности нагревательных элементов одежды, учитывающая температурные условия теплового комфорта на поверхностях кожи различных участков тела человека при различной интенсивности работы на разных глубинах погружения.
Объекты и методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось на основе математической статистики, использования точных методов решения систем дифференциальных уравнений на базе широкого применения вычислительной техники, планирования эксперимента и использования математического аппарата теории автоматического управления и теории электрических цепей.
Научная новизна заключается в разработке более совершенных методов расчета и модернизирования температурных процессов в
обогреваемой одежде с использованием микропроцессорных регуляторов температуры и ЭВМ.
Практическая значимость работы:
-
Получены результаты расчета по предложенным моделям, которые позволяют проектировать АСР температуры с учетом затрат мощности на обогрев водолаза.
-
Созданная имитационная математическая модель распределения температуры по участкам и слоям пакета одежды и тела водолаза позволяет провести на ЭВМ упрощенный и более точный расчет необходимой мощности тепловых параметров и конструкции нагревательных элементов с учетом требуемой температуры на поверхности тела водолаза.
-
Предложенные методы расчета мощности нагревательных элементов одежды, необходимые для обеспечения теплового комфорта водолаза, находящегося в различных условиях и при выполнении им различного вида работ, позволяют проектировать конструктивные параметры элементов АСР обогреваемой спецодежды.
-
Обоснован выбор релейного закона регулирования температурой нагревательных элементов одежды.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертационной работе, подтверждается применением современных информационных технологий, корректным использованием методов статистического анализа и расчета, апробацией основных положений диссертации в научной периодической печати, конференциях, семинарах и учебном процессе.
Апробация научных результатов. Основные положения диссертации и результаты работы обсуждались в апреле 2010 года на 62 научной конференции студентов и аспирантов «Молодые ученые – ХХI веку», посвященной 80-летию университета. Опубликованы тезисы доклада в сборнике МГУДТ «Тезисы докладов 62 научной конференции студентов и аспирантов «Молодые ученые – ХХI веку», посвященной 80-летию университета». Материалы диссертационной работы использованы в отчетах по научно-исследовательской госбюджетной работе кафедры «Автоматика». Проведение экспериментов и внедрение результатов работы проводилось на базе ВЧ 20914 (НИИ 40).
Публикации. Основные положения проведенных исследований диссертационной работы опубликованы в 4 научных статьях, из них три в научных изданиях, включенных в список, утвержденный Высшей Аттестационной Комиссией для публикации результатов диссертационных работ.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа изложена на 163 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения, библиографии и пяти приложений. Работа содержит 39 таблиц, 38 рисунков. Библиография включает 87 наименований на русском и иностранном языках.
Постановка задачи диссертационной работы и ее краткое содержание
Учитывая современное состояние проблемы, можно утверждать, что ряд научных задач, связанных с разработкой теоретических основ и инженерных методов расчета систем автоматического регулирования (САР) температуры среды внутри водолазной спецодежды решены недостаточно и не в полном объеме.
До настоящего времени методы аналитического приближенного расчета АСР температурных режимов спецодежды для водолазов базировались на тепловой модели человека с параметрами, полученными без учета постоянной времени датчика САР температуры и физической нагрузки. Такой подход не может быть эффективно использован для проектирования и расчета температурных режимов спецодежды с электрическим обогревом при наличии гелийсодержащих газовых сред при высоком давлении и других факторов.
Целью настоящей работы является совершенствование методов исследования, расчетов и проектирования системы автоматического регулирования (САР) температуры спецодежды водолаза.
В диссертации содержатся обзор и анализ материалов по главам. Во второй главе рассмотрена зависимость теплофизических свойств материалов одежды от состава газовой смеси и глубины погружения, представлен расчет необходимой мощности для нагревательных элементов в спецодежде водолаза.
В третьей главе рассмотрена математическая модель температурных процессов в обогреваемой одежде водолаза как объекте управления АСР. В четвертой главе впервые проведено исследование качества процессов регулирования температуры в электрообогреваемой одежде водолаза на поверхности нагревательных элементов и тела человека, исследуются показатели качества переходных характеристик в автоматических системах регулирования температуры в электрообогреваемой спецодежде водолаза при различных типовых законах регулирования в непрерывных и дискретных системах с учетом инерционности датчика температуры.
В заключении кратко изложены основные результаты исследований. 1.4. Общая характеристика диссертационной работы Актуальность темы. Из всех видов подводных работ наибольшему охлаждению подвергаются водолазы при погружении на большую глубину в легком водолазном снаряжении. В связи с этим спецодежда должна обогревать тело водолаза и обеспечивать надлежащий тепловой баланс, предохранять тело человека от переохлаждения и не вызывать перегрева организма. При этом она должна быть удобной в эксплуатации и не снижать работоспособность водолаза. Проблемы создания обогреваемой одежды для водолазов требуют дальнейшего углубления и расширения научно исследовательских работ в области создания автоматических систем регулирования температуры нагревательных элементов одежды и дыхательного газа.
Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось на основе математической статистики, использования точных методов решения систем дифференциальных уравнений на базе широкого применения вычислительной техники, планирования эксперимента и использования математического аппарата теории автоматического управления и теории электрических цепей.
Научная новизна. Для достижения поставленной цели в настоящей диссертации решены следующие научные задачи: 1. Разработана методика расчета мощности, необходимой для обогрева водолаза, при выполнении им физической работы для различных условий газовой среды в подкомбинезонном пространстве [15].
2. Создана математическая модель и структурная схема АСР температуры нагревательных элементов одежды [16].
3. Проведен расчет температуры в области нагревательных элементов и на поверхности тела человека, результаты сопоставлены с условиями теплового комфорта.
4. Осуществлен выбор рационального местоположения нагревательных элементов в пакете одежды с учетом максимального КПД нагревателя и скорости передачи теплового потока при управляющих воздействиях.
5. Экспериментально определены теплофизические свойства, распределение температур и постоянные времени слоев пакета одежды. Определены динамические характеристики нагревательных элементов в пакете одежды, по ним найдены передаточные функции. Результаты сопоставлены с теоретическими расчетами. Предложены методы более точных расчетов температуры нагревательных элементов и поверхности тела человека на ЭВМ в переходных режимах в процессе действия АСР температуры.
Зависимость теплофизических свойств материалов одежды от состава газовой смеси и глубины погружения
Предложенные материалы войлок типа АТИМ и поролон имеют недостатки. В процессе выполнения подводно-технических работ, как следствие жизнедеятельности организма, повышается влажность одежды с 10 – 15% до 45 – 50%, оказывая при этом влияние на изменение теплофизических свойств войлока типа АТИМ и поролона. При этом, как показано в работах [40, 49], тепловое сопротивление материалов уменьшается в 2 – 3 раза, т.е. коэффициент теплопередачи растет, увеличивается термическая инерционность и постоянная времени температуры слоев одежды. Кроме того, участки одежды, расположенные ниже уровня груди, испытывают воздействие избыточного гидростатического давления, что приводит к их существенному уменьшению. Все эти факторы приводят к уменьшению динамических характеристик нагревательных элементов как объекта системы автоматического регулирования температуры одежды.
Указанные недостатки существенно сказываются на стабильности теплофизических свойств материалов одежды водолаза при изменении гидростатического давления в связи с изменением положения водолаза в воде. Так на участках одежды, находящихся выше груди, гидростатическое давление падает, образуется воздушный пузырь, при этом нагревательный элемент отходит от тела водолаза, что приводит к изменению толщины изоляционного слоя одежды. Этот процесс приводит к повышению температуры на нетерморегулируемых нагревателях, что, в свою очередь, является существенным недостатком, т.к. в рассмотренных костюмах температура нагревательного элемента значительно увеличивается по сравнению с заданным значением. При дальнейших изменениях положения тела человека в воде, например, при опускании руки, нагреватель прижимается к телу, что может вызывать тепловые дискомфортные ощущения и даже болевые ощущения, отражаясь на работоспособности и моральном состоянии водолаза.
При выделении влаги с поверхности тела человека в виде пара и капель разные части тела, и, следовательно, материалы тоже, меняют влажность по-разному. Это приводит к изменению заданного температурного поля, что вызывает недогревание на отдельных участках пакета одежды водолаза. Поэтому при проектировании спецодежды желательно применять материалы, которые в меньшей степени подвержены такого рода изменениям в процессе работы водолаза.
Представляет интерес использование в качестве теплоизоляционного слоя материала пенофола. Пенофол – это утеплитель с более стабильными и лучшими теплоизоляционными свойствами, его производят из вспененного полиэтилена с покрытием алюминиевой фольгой [56]. Отражая 97% лучистой энергии, пенофол поддерживает постоянный температурный режим. Прочный и гибкий, он отлично огибает любую поверхность, обладает замечательными паро, шумо, а также теплоизоляционными свойствами, которые сохраняются в течение более длительного периода эксплуатации. Пенофол выпускается промышленностью в широком ассортименте и используется для теплоизоляции строительных панелей, воздуховодов, кондиционеров, трубопроводов и технологического оборудования. В силу своих высоких изолирующих свойств и низкой теплоемкости, пенофол используют для транспортировки горячих и холодных пищевых продуктов, он также служит легкой и незаменимой подстилкой для спальных мешков. Он не выделяет вредных газов, экологическая чистота позволяет применять его в детских и медицинских учреждениях, в условиях пищевых производств, где требуются экологически чистые материалы.
Промышленностью выпускаются два вида исходных материалов: Пенофол и Пенофол 2000, которые отличаются друг от друга только технологией производства. Пенофол – это «сшитый» пенополиэтилен, а Пенофол 2000 – пенополиэтилен, полученный методом физического вспенивания. Данные материалы также подразделяются на 5 типов:
Важными свойствами пенофола для обогревательной одежды также являются надежная гидро- и пароизоляция, технологичность установки и экологичность.
Пенофол объединяет теплоизолирующие свойства «захваченного» воздушного пространства с высокой теплоотражающей способностью металлов (алюминий и т.д.), являясь тем самым уникальным продуктом, который останавливает тепло на всех трех путях его распространения от «горячего» тела к «холодному»: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. Теплоперенос в таких системах является результатом совместного действия всех трех механизмов, а характер его определяется свойствами металлов и воздуха, взаимным расположением и размером тел и их температурой.
Теплоперенос теплопроводностью в чистом виде осуществляется только в твердых телах с малым коэффициентом термического расширения. При этом передача теплоты осуществляется упругими колебаниями атомов в узлах кристаллической решетки и за счет движения свободных электронов. Теплопроводность твердых теплоизоляционных материалов, как правило, определяется их пористостью, т.е. объемом «захваченных» пузырьков воздуха, размером пор и влажностью. С ростом влажности и температуры их теплопроводность увеличивается.
Статические и динамические характеристики переходных процессов в спецодежде водолаза
Программа для исследования АСР температуры электрообогреваемой одежды с дискретным ПИ-регулятором амплитудно-импульсной модуляцией управляющего сигнала приведена в приложении 3.
На рисунках 4.2. – 4.4. приведены кривые переходных процессов изменения температуры нагревательных элементов в одежде водолаза с дискретным ПИ-регулятором и амплитудно-импульсной модуляцией управляющего сигнала при коэффициентах усиления регулятора, равных соответственно 1,5; 0,3; 2. Из приведенных данных следует, что переходный процесс изменения температуры нагревателя груди (линия 1), при коэффициенте усиления регулятора Кр=1,5 и интервале дискретности Тu=1,13. На участках одежды, расположенных ниже уровня груди, температура имеет меньшие значения. Это объясняется падением термического сопротивления участков одежды, лежащих ниже элемента груди под действием большей величины гидростатического давления.
При коэффициенте усиления регулятора Кр=2 (Рис. 4.2.) величина температуры на регулируемом участке (линия 1) превышает допустимую величину 40 C и установка такого значения или более высокого приводит к перегреву этой области, что не рекомендуется.
Снижение коэффициента усиления регулятора до Кр=0,3 (Рис. 4.3.) приводит к снижению величины перерегулирования до 0, но значительно увеличивает время быстродействия (более 100 мин.). Переходные процессы температуры одежды при коэффициенте усиления регулятора Кр=1,5 наиболее полно соответствуют требованиям, предъявляемым к системе регулирования, и этот коэффициент рекомендуем для настроек дискретных регуляторов с ПИ-законом управления и амплитудно-импульсной модуляцией управляющего сигнала с датчиком, расположенным на элементе груди при заданном значении Х=36.
Исследование АСР температуры обогреваемой одежды с дискретными регуляторами с широтно-импульсной модуляцией управляющего сигнала.
Чтобы исследовать АСР температуры электрообогреваемой одежды с непрерывным ПИ-регулятором с широтно-импульсной модуляцией управляющего сигнала, необходимо внести в программу следующие изменения:
Использование вышеописанного типа регулирования дает одно и то же управляющее воздействие по уровню, но различную ширину импульсов за интервал дискретности, т.е. различный коэффициент заполнения (отношение длительности импульса к интервалу дискретности).
Исследование переходных процессов температуры одежды с дискретным регулятором с широтно-импульсной модуляцией управляющего сигнала показали, что при интервале дискретности 0,1 мин и уровне управляющего сигнала 1000 Вт, наиболее предпочтительна настройка коэффициента регулятора на величину, равную 0,5, по сравнению с настройками Кр=1,5 и Кр=7, т.к. температура регулируемого участка достаточно быстро выходит на заданное значение (практически за 20 мин) и далее колеблется около заданного значения с отклонениями, не превышающими ±1C. В остальных случаях величина перерегулирования превышала 3-4 C и затем медленно снижалась до заданной величины.
Программа для исследования АСР температуры электрообогреваемой одежды с релейным законом регулирования приведена в приложении 4.
При расчете с учетом датчика появляется запаздывание в переходном процессе, которое влияет на температуру переключения регулятора. При этом амплитуда колебаний температуры увеличивается.
Моделирование АСР температуры пододежного пространства
При регулировании температуры одежды датчик (контрольная точка) находится на поверхности нагревателя в зоне поясницы, обращенной к телу человека, между слоем джерси (рис. 2.1.), на котором при существенном тепловом потоке температура значительно меняется и в значительной степени определяет самочувствие водолаза и условия его теплового комфорта. Поэтому информация о температуре на поверхности тела водолаза важна для оценки качества и подбора типов регулятора и датчика автоматической системы регулирования температуры.
Программа для исследования изменения температуры на теле водолаза приведена в приложении 5. Структурная схема системы автоматического регулирования температуры представлена на рис. 4.12., где Wр(p) – передаточная функция регулятора; Wн(p) – передаточная функция нагревателя; Wд(p) – передаточная функция датчика; Wснв(p) – передаточная функция слоев одежды от нагревательного элемента до окружающей среды; Wнб(p) – передаточная функция слоя нательного белья; Wт(p) – передаточная функция тела человека от поверхности кожи до термостатированного слоя (ядра).
На нагревательном элементе установлен датчик температуры термистор ТС-17, расположенный на электроизоляционной подложке. Экспериментально полученная переходная характеристика системы с датчиком приведена на рис. 3.6, по которой определили его передаточную функцию и постоянные времени.
На рисунках 4.13. – 4.15. приведены переходные характеристики автоколебаний на поясничном элементе, полученные при помощи метода имитационного моделирования для релейной системы автоматического регулирования температуры, с зонами неоднозначности (B), равными 4; 0,2; 0 соответственно.
Амплитуда колебаний на поверхности тела меньше, чем на нагревательном элементе примерно в 3 раза и имеет сглаженные пики на точках максимума и минимума, что говорит о том, что на переходный процесс влияет коэффициент передачи меньше 1 и появляется инерционность динамического звена, состоящего из джерси и тела человека. Экспериментально установлено, что постоянная времени такого динамического звена равна 0,5 мин. При напряжении, равном 23,4 В, подаваемом на одежду, ток составлял 12 А, а общая мощность обогрева при включении регулятора составляла 280 Вт. Основные результаты диссертационной работы: 1. Проведен расчет мощности для обогревания спецодежды и дыхательного газа водолазов при выполнении ими физической работы и нахождении в покое для различных глубин погружения с учетом состава газовых сред. 2. Предложена математическая модель и структурная схема АСР температуры нагревательных элементов в одеждах водолазов. 3. Проведен расчет требуемой температуры в области нагревательных элементов для обеспечения условий теплового комфорта на поверхности тела водолаза. 4. Обосновано местоположение нагревательных элементов в пакете одежды исходя из удобства их крепления, максимального КПД нагревателя и скорости передачи теплового потока к телу человека при управляющих воздействиях. 5. Экспериментально определены теплофизические свойства, распределения температуры и постоянные времени слоев пакета одежды. Определены динамические характеристики нагревательных элементов в пакете одежды, по ним найдены передаточные функции. Результаты сопоставлены с теоретическими расчетами. 6. Предложены методы более точного моделирования АСР температуры нагревательных элементов и поверхности тела человека. Впервые расчет АСР температуры нагревательных элементов проведен с учетом инерционности датчика температуры АСР. 7. По сравнению с предыдущими работами, реализованная имитационная математическая модель АСР температуры обогреваемой одежды позволяет с большей точностью рассчитать температуру одежды и тела человека. 8. Сопоставлены результаты тепловых расчетов для реальных условий нахождения водолазов на разных глубинах и при моделировании тепловых процессов окружающей водяной среды, и обоснована возможность и целесообразность моделирования тепловых процессов АСР температуры на стадии НИР. 9. Предложена и обоснована АСР температуры одежды по 4 секциям нагревательных элементов одежды: корпуса, ног, руки левой и руки правой.
